Blood Pressure Measurement using Wireless Sensor Network
Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Báo cáo thí nghiệm Page 1
Blood Pressure Measurement using Wireless Sensor Network
Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Mục Lục
Báo cáo thí nghiệm Page 2
Blood Pressure Measurement using Wireless Sensor Network
Giới thiệu chung
Sự phát triển của internet, truyền thông và công nghệ thông tin kết hợp với
những tiến bộ của khoa học kỹ thuật hiện nay đã tạo điều kiện cho các thế hệ cảm biến
mới, với giá thành thấp, khả năng triển khai quy mô lớn với độ chính xác cao. Công
nghệ điều kiển và cảm biến gồm: Cảm biến dây, cảm biến trường điện từ, cảm biến tần
số vô tuyến, cảm biến quang điện và hồng ngoại, laser rada và cảm biến định vị dẫn
đường.
Các tiến bộ trong lĩnh vực thiết kế cảm biến, vật liệu cho phép làm giảm kích
thước, trọng lượng và chi phí sản xuất cảm biến đồng thời tăng khả năng hoạt động và
độ chính xác. Trong tương lai gần, mạng cảm biến không dây sẽ có thể tích hợp hàng
triệu cảm biến vào hệ thống để cải thiện chất lượng và thời gian sống.
Công nghệ điều khiển và cảm biến có tiềm năng lớn, không chỉ trong khoa học
và nghiên cứu, mà quan trọng hơn chúng được sử dụng rỗng rãi trong các ứng dụng
liên quan đến bảo vệ các công trình trọng yếu, chăm sóc sức khỏe, bảo vệ môi trường,
năng lượng, an toàn thực phẩm, sản xuất, nâng cao chất lượng cuộc sống và kinh tế…
Với mục tiêu giảm giá thành và tăng hiệu quả trong công nghiệp và thương mại, mạng
cảm biến không dây sẽ mang đến sự tiện nghi và các ứng dụng thiết thực, nâng cao
chất lượng cuộc sống cho con người.
Trong nội dung tài liệu này, trình bày về các kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến
không dây, các cách thức thiết kế từ đơn giản đến phức tạp. Bên cạnh đó là các ứng
dụng phổ biến, có nhiều tiềm năng, ứng dụng trong thực tế. Một cái nhìn tổng quát của
mạng cảm biến không dây.
Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hưỡng dẫn nhiệt tình của thầy Dương

điểm – điểm, số lượng lớn các node cảm biến. Cảm biến có thể chỉ gồm một hoặc dãy
Báo cáo thí nghiệm Page 4
Blood Pressure Measurement using Wireless Sensor Network
cảm biến. kích thước rất đa dạng, từ nano(1 – 100 nm), meso(100 – 10000 nm),
micro(10 – 1000um), macro(vài mm - m)…
Do đặc tính của mạng WSNs là di động và trước đây chủ yếu phục vụ cho ứng
dụng quân sự nên đòi hỏi tính bảo mật cao. Ngày nay, các ứng dụng WSNs mở rộng
cho các ứng dụng thương mại, việc tiêu chuẩn hóa sẽ tạo nên tính thương mại cao cho
mạng WSNs.
Các nghiên cứu gần đây phát triển thông tin công suất thấp với các node xử lý
giá thành thấp và có khả năng tự phân bố, sắp xếp, lựa chọn giao thức cho mạng, giải
quyết bài toán quan trọng nhất của mạng WSNs là khả năng cung cấp năng lượng cho
các node bị giới hạn. Các mô hình không dây, có mạch tiêu thụ năng lượng thấp được
ưu tiên phát triển. Hiệu quả sử dụng công suất của WSNs về tổng quát dựa trên 3 tiêu
chí:
• Chu kỳ vận động ngắn.
• Xử lý dữ liệu nội bộ tại các node để giảm chiều dài dữ liệu, thời gian truyền.
• Mô hình mạng multihop làm giảm chiều dài đường truyền, qua đó làm giảm suy
hao tổng cộng, giảm công suất cho đường truyền.
WSNs được chia làm 2 loại, theo mô hình kết nối và định tuyến mà các node sử dụng:
 Loại 1 (C1WSNs):
• Sử dụng giao thức định tuyến động.
• Các node tìm đường đi tốt nhất đến đích.
• Vai trò của các node sensor này với các node sensor kế tiếp như là các trạm
lặp (repeater).
• Khoảng cách rất lớn (hàng trăm mét).
• Khả năng xử lý dữ liệu ở các node chuyển tiếp.
• Mạng phức tạp.
 Loại 2 (C2WSNs):
• Mô hình đa điểm – điểm, hay điểm – điểm, một kết nối radio đến node trung

phần trong MANETs( ad hoc).
1.1.2. Ứng dụng của mạng cảm biến
• Quân sự: theo dõi các mục tiêu, chiến trường, các nguy cơ tấn công nguyên tử,
sinh hóa…
• Môi trường: giám sát cháy rừng, thay đổi khí hậu, bão, lũ lút…
• Y tế, sức khỏe: giám sát bệnh nhân trong bệnh viện, quản lý thuốc, điều khiển
từ xa…
• Gia đình: ngôi nhà thông minh, điều khiển các thiết bị điện, hệ thống sưởi ấm…
Báo cáo thí nghiệm Page 6
Blood Pressure Measurement using Wireless Sensor Network
• Thương mại: điều khiển trong môi trường công nghiệp, văn phòng, giám sát xe
cộ, giao thông…
1.2. Tổng quan về kỹ thuật WSNs
Như đã đề cập ở trên, một vài mạng cảm biến dùng giao thức xử lý tại node
nguồn trung tâm, một số dùng giao thức xử lý theo cấu trúc hay gọi là xử lý trước tại
node. Thay vì gửi đi dữ liệu đến node chuyển tiếp, node thường dùng khả năng xử lý
dữ liệu của mình để giải quyết trước khi phát đi. Với dạng có cấu trúc, dữ liệu được xử
lý đến mức tốt nhất nhờ đó làm giảm được năng lượng cần dùng và băng thông kênh
truyền. Một vài kỹ thuật và tiêu chuẩn phù hợp với mạng cảm biến như sau:
 Cảm biến:
• Chức năng cơ bản.
• Xử lý tín hiệu.
• Nén và các giao thức phát hiện, sửa lỗi.
• Phân chia Cluster.
• Tự phân nhóm.
 Kỹ thuật truyền vô tuyến:
• Dãy truyền sóng.
• Sự hư hại đường truyền.
• Kỹ thuật điều chế.
• Giao thức mạng.

lượng cũng như băng thông kênh truyền sẽ sử dụng hiệu quả hơn. Tuy nhiên, có thể
thấy cấu trúc mạng phức tạp và giao thức phân chia Cluster và định tuyến cũng trở nên
khó khăn hơn.
Một vài đặc điểm của mạng cảm biến:
• Các node phân bố dày đặc
• Các node dễ bị hỏng.
• Giao thức mạng thường xuyên thay đổi.
• Node bị giới hạn về công suất, khả năng tính toán và bộ nhớ.
• Các node có thể không được đồng nhất toàn hệ thống vì số lượng lớn các node.
Báo cáo thí nghiệm Page 8
Blood Pressure Measurement using Wireless Sensor Network
Các thành phần cấu tạo nên một node trong mạng cảm biến
• Một cảm biến( có thể là một hay dãy cảm biến) và đơn vị thực thi( nếu có).
• Đơn vị xử lý.
• Đơn vị liên lạc bằng vô tuyến.
• Nguồn cung cấp.
• Các ứng dụng khác…
Để cung cấp sự hoạt động cho các node, phần quan trọng là các hệ điều hành mã
nguồn mở được thiết kế đặc biệt cho WSNs. Thông thường, các hệ điều hành như thế
dùng kiến trúc dựa trên thành phần để có thể thiết lập một cách nhanh chóng trong khi
kích thước code nhỏ phù hợp với bộ nhớ có giới hạn của Sensor Networks. TinyOS là
một ví dụ về dạng này, đây là một chuẩn không chính thức. Thành phần của TinyOS
gồm giao thức mạng, phân phối các node, drivers cho các cảm biến và các ứng dụng.
Rất nhiều nghiên cứu sử dụng TinyOS trong mô phỏng để phát triển và kiểm tra các
giao thức và giải thuật mới, nhiều nhóm nghiên cứu đang cố gắng kết hợp các mã để
xây dựng tiêu chuẩn cho các dịch vụ mạng tương ứng.
Tiêu chuẩn về phương thức truyền nhận
Mục đích thiết kế WSNs là để phát triển giải pháp mạng không dây dựa trên tiêu
chuẩn về hao phí là thấp nhất, đáp ứng các yêu cầu như tốc độ dữ liệu thấp – trung
bình, tiêu thụ công suất thấp, đảm bảo độ bảo mật và tin cậy cho hệ thống. Vị trí các

Blood Pressure Measurement using Wireless Sensor Network
Tổ chức mạng cảm biến: Các vấn đề liên quan, sự sắp xếp mạng và sự theo dõi giám
sát bao gồm quản lý nhóm các cảm biến, khả năng tự phân chia nhóm, xây dựng phiên
làm việc.
Tính toán: Tính toán liên quan đến tập hợp dữ liệu, dung hợp, phân tích, tính toán cấu
trúc và xử lý tín hiệu.
Quản lý dữ liệu: Quản lý dữ liệu phụ thuộc vào kiến trúc dữ liệu, quản lý cơ sở dữ
liệu, kỹ thuật truy vấn và lưu trữ dữ liệu. Trong môi trường mạng truyền thống, dữ liệu
được thu thập đến trung tâm để lưu trữ khi có yêu cầu được gửi đi. Trong các mạng
phức tạp hơn, các yêu cầu theo thời gian thực, cần có các kỹ thuật được xây dựng dùng
cho các mô hình lưu trữ dữ liệu phân bố. Dữ liệu cần được đánh chỉ số cho việc kiểm
tra( theo không gian và thời gian) hiệu quả hơn.
Bảo mật: Bảo mật là phần quan trọng trong WSNs, sự chắc chắn, sự nhất quán và sự
sẵn sàng của thông tin.
1.2.2. Các thách thức và trở ngại
Để WSNs thực sự trở nên rộng khắp trong các ứng dụng, một số thử thách và trở ngại
cần phải vượt qua:
• Chức năng giới hạn, bao gồm cả vấn đề về kích thước
• Yếu tố nguồn cung cấp
• Giá thành các node
• Yếu tố môi trường
• Các đặc tính kênh truyền
• Giao thức quả lý mạng phức tạp và sự phân bố dải các node
• Tiêu chuẩn và quyền sở hữu
• Các vấn đề mở rộng
Chương 2: Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
WSNs là sự tập hợp các kích thước nhỏ gọn(compact-size), cụ thể là các node
cảm biến với giá thành thấp, có khả năng làm việc trong điều kiện môi trường tự nhiên
hoặc đo đạc các thông số khác và đưa nhưng thông tin đến trung tâm khi các xử lý phù
hợp. Các node trong mạng WSNs có thể liên lạc với các node xung quanh nó, và có

Blood Pressure Measurement using Wireless Sensor Network
dụng rộng rãi trong lĩnh vực an ninh quốc gia, chăm sóc sức khỏe, môi trường, an toàn
thực phẩm và sản xuất,…
Các ứng dụng của mạng WSNs thực sự chỉ bị giới hạn bởi sự tưởng tượng của
con người. Sau đây là các ứng dụng phổ biến nhất của WSNs:
Ứng dụng trong quân sự và an ninh quốc gia:
• Giám sát chiến trường
• Bảo vệ anh ninh cho các công trình trọng yếu
• Ứng dụng trong quân đội
• Thông tin, giám sát, điều khiển
• Theo dõi các mục tiêu
• Phát hiện phóng xạ hạt nhân
• Giám sát dưới nước, trên không
• Hệ thống radar
Ứng dụng trong bảo vệ môi trường:
• Phát hiện hoạt động của núi lửa
• Giám sát cháy rừng
• Giám sát dịch bệnh
• Sử dụng hiệu quả tài nguyên thiên nhiên
• Phát hiện động đất
Ứng dụng trong thương mại:
• Điều khiển không lưu
• Quản lý cầu đường
• Quản lý kiên trúc và xây dựng
• Điều khiển nhiệt độ
• Quản lý tải trong tiêu thụ điện năng
• Hệ thống tự động
• Cảm biến các chất hóa học, sinh học, nguyên tử
• Thu thập dữ liệu thời gian thực
• Các hệ thống nhận dạng bằng sóng radio

trên đường truyền sóng. Các bề mặt nhám, gồ ghề, nhỏ hơn có thể gây ra hiện
tượng này
Những hiện tượng này gây ra méo dạng và giảm công suất tín hiệu. Sự dao
động năng lượng tín hiệu gây ra do tín hiệu thu được là sự kết hợp sóng phản xạ từ các
hướng khác nhau và các thành phần nhiễu xạ, phân bố rải với tín hiệu hướng trực tiếp.
Báo cáo thí nghiệm Page 14
Blood Pressure Measurement using Wireless Sensor Network
Gọi là nhiễu đa đường(multipath). Điều này ảnh hưởng đến cả máy thu di động lẫn cố
định, máy thu đặt trong nhà hay ngoài trời. Sự suy hao do đặc tính sóng điện từ suy
hao theo khoảng cách gọi là large-scale, sự suy giảm do di chuyển máy thu, phản xạ,
tán xạ hay phân bố dải gọi là small-scale.
Đặc tính kênh truyền thay đổi theo không gian và thời gian. Tất cả các hiện
tượng nói trên ảnh hướng khá lớn đến công suất máy thu nhận được, dù là thiết bị cố
định, tín hiệu thu được vẫn có thể bị suy giảm, bởi vì duy chuyển của các vật thể xung
quanh.
Máy thu nhận được nhiều tín hiệu cùng một lúc: Tín hiệu gốc, phản xạ, tán xạ.
Đo đó có thể không phân biệt được tín hiệu cần thu. Tuy nhiên, dời antena máy phát
hoặc máy thu khỏi vị trí hiện tại một vài inch có thể cải thiện đáng kể chất lượng tín
hiệu. Vấn đề đa đường trong cao tần có thể bớt ảnh hưởng bằng cách nâng cao chất
lượng của các thiết kế sau:
• Hệ thống vô tuyến
• Hệ thống antena.
• Dùng dạng tín hiệu điều chế tích hợp.
• Môi trường, các tòa nhà cũng ảnh hưởng lớn đến quá trình truyền sóng.
3.2. Điều chế tín hiệu
Ứng dụng baseband là các ứng dụng mà tín hiệu mã hóa được phát đi trực tiếp
qua kênh truyền mà không thay đổi về sóng mang. Non-Baseband dùng các kỹ thuật
điều chế, Baseband thì không. Hệ thống baseband thường bị giới hạn về khả năng
truyền thông tin ở khoảng cách đến vài dặm.
Dạng điều chế thường được dùng là AM, Điều chế tần số FM, điều chế pha PM.

Để tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của WSNs trong phạm vi lớn, các dự án
tận dụng các chuẩn thông tin vô tuyến đã được xây dựng trước đó hơn là phát triển các
kỹ thuật mới hoàn toàn. Mạng WSNs có thể dùng một số công nghệ đã được phát triển
thành các chuẩn sẵn có như là Bluetooth, ZigBee, WLAN…
Báo cáo thí nghiệm Page 17
Blood Pressure Measurement using Wireless Sensor Network
Chương 4: Ứng dụng WSN đo huyết áp
4.1. Giới thiệu chung
Huyết áp là áp lực đẩy do sự tuần hoàn của máu trong các mạch máu, và là một
trong những dấu hiệu chính cho biết cơ thể còn sống hay đã chết. Khi tim đập, huyết
áp thay đổi tử cực đại( áp lực tâm thu) đến cực tiểu( áp lực tâm trương).
Ngày nay có rất nhiều bệnh liên quan đến huyết áp, điển hình là bệnh huyết áp
cao và huyết áp thấp. Các bệnh này nếu không được phát hiện sớm sẽ để lại hậu quả
khá nghiêm trọng. Chính vì vậy chúng ta cần phải đo đạc và chuẩn đoán, chữa trị bệnh
kịp thời. Có rất nhiều phương pháp có thể sử dụng để đo huyết áp, rất nhiều các loại
máy móc được sử dụng, phổ biến là các loại máy cầm tay. Loại này khá phổ biến và
gọn nhẹ, tuy nhiên nó chỉ áp dụng cho số lượng bệnh nhân ít và khó lưu trữ kết quả thu
được của nhiều lần đo. Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã nghiên cứu và
phát triển máy đo huyết áp sử dụng mạng cảm biến không dây. Đây là phương pháp
mới, rất hiện đại và đang được phát triển ở rất nhiều quốc gia trên thế giới.
4.2. Đo huyết áp sử dụng Wireless Sensor Network
Hình 4.1: Hệ thống giám sát đo huyết áp từ ra
Báo cáo thí nghiệm Page 18
Blood Pressure Measurement using Wireless Sensor Network
Từ hình trên ta thấy, Cảm biến được gắn vào cánh tay bệnh nhân, đây là một
node cảm biến, tín hiệu thu được từ cảm biến được truyền đi thông qua wireless đến
các router r1, r2… và cuối cùng đến bộ nhận tín hiệu rùi chuyển vào máy tính, ở máy
tính sẽ xử lý tín hiệu thu được và hiển thị chúng trên màn hình. Ta có thể nhận thấy, hệ
thống trên có thể áp dụng rất rộng rãi, số lượng bệnh nhân lớn, và khoảng cách làm
việc khá xa.

a. Cảm biến đến giao diện màn hình huyết áp
Một bản thương mại A&D UA-767PC BPM được sử dụng hỗ trợ đọc cảm biến
cho hệ thống. BPM có thể đo đồng thời huyết áp và tốc độ xung. Nó bao gồm một
cống kết nối nối tiếp để truyền dẫn hai chiều với ở tốc độ 9600kbps. Một điểm đặt cảm
biến kết nối với BPM để truyền huyết áp và nhịp tim. Khi một lần đọc dữ liệu, cảm
biến kết nối mạng và truyển dữ liệu đến trạm cơ sở.
Hình 4.2: Đồ thị kết nối BPM
Báo cáo thí nghiệm Page 20
Blood Pressure Measurement using Wireless Sensor Network
Quá trình đọc dữ liệu biểu diễn ở hình trên. Để bắt đầu kết nối với BPM, các
nút gửi tín hiệu bắt đầu đến BPM để chuyển kiểu node kết nối. Một lần BPM kết nối,
nó sẽ có một kiểu kết nối, các nút cảm biến sẽ gửi lệnh để mở cổng kết nối. Khi cổng
kết nối được mở, BPM sẽ sẵn sàng để nhận lệnh. Một lệnh đo lường được xác định.
Đây là nguyên nhân BPM bơm căng vòng bít ở cánh tay và đo lường được huyết áp và
nhịp tim. Khi đọc xong, nó sẽ gửi phản hồi đến nút cảm biến. Giới hạn xử lý được
thực hiện bởi các nút cảm biến ở việc đọc dữ liệu trước khi truyền nó qua mạng ở trạm
cơ sở 1.
Hình 4.3: Ví dụ về cổng nối tiếp BPM
Từ hình trên ta thấy tất cả cá kết nối với BPM được mã hóa ASCII. Ví dụ, nếu
số 60 cần được gửi, nó sẽ gửi 2 byte 0x36 và 0x30. Với 6 và ) ở mã ASCII. Mộ lệnh
mở được ký hiệu dưới một byte bất kỳ. Nó làm cho BPM sẵn sàng nhận lệnh.
Lệnh mở cổng có cấu trúc: 02 nhận dạng tin nhắn là tin nhắn lệnh. Byte tiếp
theo là 43 được thiết lập và hiển thị C ở mã ASCII. Hai byte tiếp theo (50 và 43) miêu
tả thiết bị gửi dữ liệu, trong trường hợp là một nút cảm biến nó là PC ở mã ASCII. Hai
Báo cáo thí nghiệm Page 21
Blood Pressure Measurement using Wireless Sensor Network
bít tiếp theo (30 và 35) là lệnh mở kết nối (05). Byte cuối cùng là byte dấu, kiểm tra
tổng của dữ liệu.
Tin nhắn báo nhận là rất cần thiết chứa byte đầu tiên 01 như là một tín hiệu
nhận dạng. Hai byte tiếp theo chống lại gửi dữ liệu, từ đó thông điệp này được gửi bởi

GUI được viết bởi Java và chạy trên máy chủ. Cửa sổ chính của GUI như hình trên.
Người sử dụng có thể thêm bệnh nhân mới: Tên, ID của node sensor. Nếu tên giống
với tên của bệnh nhân khác trong cơ sở dữ liệu thì nó sẽ hiển thị một danh sách cho
phép người sử dụng lựa chọn tên từ cơ sở dữ liệu. Một lần truy cập vào hệ thống, tất cả
các dữ liệu sẽ được gửi từ các cảm biến về máy chủ. Tại đây máy chủ sẽ lưu các thông
tin về bệnh nhân. Tất cả các dữ liệu đọc được sẽ được xem bởi lựa chọn tên bệnh nhân
trong danh sách. Khi lựa chọn “View” thì sẽ mở của sổ hình 4.5.
Nhìn cửa sổ ta có thể xem và chỉnh sưa thông tin về bệnh nhân. Các phiên bản
hiện tại chỉ cho phép đọc ra các giá trị đo được dạng chữ, trong tương lai, các phiên
bản mới sẽ cho phép đọc ra giá trị dạng đồ thị. Khi đọc dữ liệu, giá trị đó sẽ được kiểm
tra một lần nữa để xem có bị vượt quá giới hạn không. Nếu vượt quá thì sẽ có một tin
nhắn cảnh báo xuất hiện. Việc đọc dữ liệu sẽ không được chấp nhận từ cá node chưa
đăng ký và cũng tạo ra cảnh báo cho người sử dụng. Trong tương lai, việc thêm một
bệnh nhân mới sẽ kích hoạt vào cơ sở dữ liệu.
Báo cáo thí nghiệm Page 23
Blood Pressure Measurement using Wireless Sensor Network
Hình 4.5: Mở cửa sổ view trong GUI

d. Mô hình mạng
Cấu trúc liên kết của mạng không dây là cấu trúc tĩnh với các node cảm biến di
động. Năng lượng sạch được sử dụng tại các node định tuyến để kết nối tới các nguồn
cung cấp năng lượng khác không cần thiết. Việc này cũng loại trừ sự cần thiết của pin
để theo dõi và thay thế. Năng lượng sạch từ ánh sáng trong nhà là một phương pháp
kém hiệu quả và nó sẽ giới hạn số lượng nguồn năng lượng đến các node định tuyến.
Để bù vào, các node định tuyến đồng bộ từng cặp ở một nửa chu kỳ. Điều này làm đủ
thời gian trong chu kỳ tắt của mỗi node để có đủ năng lượng cho chu kỳ tiếp theo.
Trong quá trình kết hợp các mạng, mỗi điểm định tuyến tìm ra đường ngắn nhất tới
các trạm cơ sở. Khi thực hiện xong điều này, nó sẽ tìm kiếm node khác để tạo thành
các cặp. Lưu đồ trên hiển thị sự xử lý tại các node định tuyến đi xuyên qua mạng. Mỗi
lần cấu trúc được thiết lập, node cảm biến có thể dễ ràng truy cập vào mạng. Node